16. Особенности строения и жизнедеятельности прокариот

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относят бактерий и архей. Это определение помогает отличать их от эукариот, чьи клетки содержат ядро и мембранные структуры.

Нуклеоид — область цитоплазмы, где расположена основная молекула ДНК прокариотической клетки. Он не окружён мембраной, поэтому нуклеоид нельзя считать ядром. По его наличию и строению определяют, что клетка относится к прокариотическому типу.

Плазмида — небольшая кольцевая молекула ДНК, способная существовать отдельно от основной ДНК. Она может нести дополнительные гены, например гены устойчивости к антибиотикам. Плазмиды помогают клетке приобретать полезные признаки и передавать их потомкам.

Бинарное деление — способ бесполого размножения прокариот, при котором после удвоения ДНК клетка разделяется на две дочерние клетки. Дочерние клетки обычно получают одинаковые копии основной наследственной информации. Благодаря такому делению популяция может быстро увеличиваться.

Как это устроено

У прокариот нет ядра, поэтому основная ДНК не заключена в отдельный мембранный compartмент, а находится в нуклеоиде. Отсутствие мембранных органоидов означает, что большинство реакций происходит прямо в цитоплазме или на плазматической мембране. Такая организация проще, чем у эукариотической клетки, и позволяет быстро обмениваться веществами между внутренней средой и поверхностью клетки.

Плазматическая мембрана отделяет клетку от окружающей среды и регулирует поступление веществ и выведение продуктов обмена. Клеточная стенка поддерживает форму и защищает от повреждения, особенно при изменении давления воды. Внутри клетки находятся цитоплазма, ДНК и рибосомы, на которых собираются белки; у некоторых видов снаружи есть капсула, жгутики или пили.

Капсула образует дополнительный защитный слой и может помогать клетке удерживаться на поверхности. Жгутики работают как органы движения, поэтому с их помощью бактерии перемещаются к подходящим условиям или удаляются от неблагоприятных. Пили обычно короче жгутиков: они помогают прикрепляться к поверхностям, а некоторые участвуют во взаимодействии и обмене генетическим материалом между клетками.

При бинарном делении сначала копируется основная ДНК, затем её копии расходятся к разным участкам клетки. Между ними формируется перегородка, и исходная клетка превращается в две дочерние. Если деление длится 30 минут и клетки не погибают, число клеток каждый раз удваивается, поэтому рост идёт по степеням двойки, а не прибавлением одного организма.

Прокариоты используют разные источники энергии и углерода. Одни расщепляют готовые органические вещества, другие создают их с помощью света, а третьи получают энергию при окислении неорганических соединений. Такое разнообразие обмена веществ позволяет им существовать в почве, воде, организмах, горячих источниках и других средах, где набор доступных веществ различается.

Сравнение прокариотической и эукариотической клеток

Сначала сравнивайте обязательные признаки: ядро, расположение ДНК и наличие мембранных органоидов. Дополнительные структуры встречаются не у всех клеток, поэтому по одному жгутику или капсуле тип клетки определять нельзя.

Разбор задач

Задача 1

На микрофотографии видна клетка без ядра, с клеточной стенкой и жгутиком. Нужно определить её тип и назвать признаки, на которых основан ответ. Жгутик здесь является дополнительным признаком, а не главным основанием вывода.

1. Отсутствие оформленного ядра указывает на прокариотический тип клетки.
2. Клеточная стенка согласуется со строением многих прокариот и помогает сохранять форму.
3. Жгутик может обеспечивать движение, но встречается только у некоторых видов.

Ответ: клетка относится к прокариотам; признаки — отсутствие оформленного ядра и наличие характерной клеточной стенки. Жгутик подтверждает возможность движения, но сам по себе не доказывает прокариотическое строение.

Задача 2

У первой клетки ДНК находится в нуклеоиде, а у второй — в ядре. Требуется определить прокариотическую клетку и привести ещё два различия. Нужно отделить обязательные особенности типа клетки от признаков, которые бывают только у отдельных видов.

1. Нуклеоид не окружён мембраной, поэтому первая клетка является прокариотической.
2. У первой клетки отсутствуют мембранные органоиды, тогда как у второй они есть.
3. Первая клетка обычно размножается бинарным делением, а вторая — митозом; у эукариот также возможен мейоз.

Ответ: прокариотическая клетка — первая. Два различия: отсутствие мембранных органоидов и бинарное деление вместо митоза; рибосомы есть у обеих клеток.

Задача 3

Одна клетка делится каждые 30 минут, а наблюдение продолжается 2 часа. Все клетки делятся синхронно и не погибают, поэтому после каждого деления их количество удваивается.

1. Переведём 2 часа в минуты: 2 · 60 = 120 минут.
2. Определим число делений: 120 : 30 = 4.
3. Последовательно удвоим число клеток: 1 → 2 → 4 → 8 → 16.

Ответ: через 2 часа образуется 16 клеток. В общем случае при начальном числе клеток 1 после n делений получится 2ⁿ клеток.

Типичные ошибки

Называть нуклеоид ядром. Ошибка возникает из-за того, что и нуклеоид, и ядро содержат ДНК. Проверка проста: у нуклеоида нет окружающей мембраны, а ядро имеет ядерную оболочку.

Считать, что все прокариоты одинаковы и имеют жгутики или капсулу. Эти структуры встречаются не у каждого вида, поэтому нельзя делать вывод только по их отсутствию. Сначала проверьте наличие или отсутствие оформленного ядра.

Утверждать, что ДНК бывает только в нуклеоиде. У многих прокариот есть плазмиды — отдельные кольцевые молекулы ДНК. Если в условии упоминаются небольшие дополнительные молекулы наследственного материала, вспомните именно о плазмидах.

Описывать бинарное деление как митоз. Митоз связан с ядром и его веретеном деления, которых у прокариот нет. Вспомните последовательность: удвоение ДНК, распределение копий и разделение клетки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о частях клетки и функциях мембраны, цитоплазмы, ДНК и рибосом. Эти представления позволяют объяснить, почему отсутствие ядра меняет размещение наследственного материала, а отсутствие мембранных органоидов — организацию обмена веществ.

Тема пригодится при изучении бактерий, микробиологии, наследственности и действия антибиотиков. Плазмиды помогают понять передачу генов, а особенности клеточной стенки — почему некоторые лекарства действуют на бактерии избирательно.

Что запомнить

• Прокариоты — организмы с клетками без оформленного ядра.
• Основная ДНК прокариот находится в нуклеоиде.
• У прокариот нет мембранных органоидов, но есть рибосомы.
• Клеточная стенка есть у большинства прокариот, но её состав может различаться.
• Плазмиды содержат дополнительную наследственную информацию.
• Прокариоты размножаются преимущественно бинарным делением.
• Прокариоты могут получать энергию и вещества разными способами.